[發(fā)明專利]一種具有高空間利用率和寬頻帶的擺動式摩擦納米發(fā)電機

在審

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• 申請日: 2022-11-16
• 公開（公告）號: CN115664253A
• 公開（公告）日: 2023-01-31
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 王佩紅;曹寶;陳旭;汪忠柱
• 申請（專利權(quán)）人: 安徽大學
• 主分類號: H02N1/04
• 分類號: H02N1/04
• 代理公司: 合肥天明專利事務(wù)所(普通合伙) 34115
• 代理人: 周靜

本發(fā)明公開了一種具有高空間利用率和寬頻帶的擺動式摩擦納米發(fā)電機，包括中心軸桿，中心軸桿由內(nèi)向外呈嵌套結(jié)構(gòu)設(shè)置有多個摩擦納米發(fā)電機單元，摩擦納米發(fā)電機單元的尺寸隨著與中心軸桿之間距離的增大而增大；每個摩擦納米發(fā)電機單元包括轉(zhuǎn)子和定子；本發(fā)明在傳統(tǒng)擺動式摩擦納米發(fā)電機基礎(chǔ)之上，通過耦合多個擺動式摩擦納米發(fā)電機單元，一方面充分利用了內(nèi)部空間，顯著提升空間利用率，且輸出性能也得到大幅增加。另一方面，多個擺動式摩擦納米發(fā)電機單元的尺寸以及質(zhì)量塊質(zhì)量截然不同，使得在外界激勵驅(qū)動下，各自的有效工作頻帶不同，從而整個器件可以收集較寬頻帶內(nèi)的微弱機械能量，可以有效適應(yīng)高熵低頻的外界環(huán)境。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明設(shè)計發(fā)電機技術(shù)領(lǐng)域，具體的，涉及一種具有高空間利用率和寬頻帶的擺動式摩擦納米發(fā)電機。

背景技術(shù)

隨著世界經(jīng)濟的不斷發(fā)展，化石能源的燃燒引發(fā)種種問題，新能源的開發(fā)與利用逐漸成為焦點問題；同時物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展使得無線傳感器網(wǎng)絡(luò)越發(fā)重要，但是利用電池的傳統(tǒng)供電方式需要充電、更換和維護等復(fù)雜的人工操作，且對環(huán)境的不良影響日益嚴重。因此，需要開發(fā)一種自驅(qū)動、分布式、環(huán)境友好型的電源來為分布式傳感器供電。2012年，王中林院士團隊首次提出摩擦納米發(fā)電機，可以將周圍環(huán)境的微小機械能量轉(zhuǎn)換成電能，由于自身存在的小尺寸、低成本、高能量轉(zhuǎn)換效率等優(yōu)勢，逐漸在能量收集和自驅(qū)動傳感領(lǐng)域展現(xiàn)出非凡的應(yīng)用前景。

摩擦納米發(fā)電機基于摩擦起電和靜電感應(yīng)機理的耦合，利用兩種極性不同的摩擦材料相互摩擦，在二者表面分別產(chǎn)生極性相反的感應(yīng)電荷，從而產(chǎn)生電勢差，配合外部管理電路，即可輸出電能。由于自身獨特的工作機制，摩擦納米發(fā)電機在低頻環(huán)境中的能量收集效率顯著高于傳統(tǒng)電磁發(fā)電機，尤其在海洋能這類高熵低頻能量收集中展現(xiàn)出非凡潛力。而目前收集海洋能的擺動式摩擦納米發(fā)電機,例如芮品淑等人在《Nano Energy》(《納米能源》，2020年74期，文獻號104937)發(fā)表了題為“High-performance cylindrical pendulumshaped triboelectric nanogenerators driven by water wave energy for full-automatic and self-powered wireless hydrological monitoring system”(“水波能驅(qū)動的自驅(qū)動且全自動無線水文監(jiān)測系統(tǒng)的高性能圓柱形擺動式摩擦納米發(fā)電機”)的論文，主要結(jié)構(gòu)由兩個圓柱筒組裝而成，內(nèi)部還有極大的空間沒有被充分利用，其空間利用效率較低；且受到自身擺動部件固有頻率限制，只能在極窄頻率寬度內(nèi)有較好的輸出性能，而偏離最佳頻率后幾乎不工作，無法適應(yīng)復(fù)雜多變的海洋等環(huán)境。

發(fā)明內(nèi)容

針對現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明的目的是迎合能量收集和傳感器需求，提供一種具有高空間利用率和寬頻帶的擺動式摩擦納米發(fā)電機，一方面利用多筒結(jié)構(gòu)的設(shè)計進一步提高內(nèi)部空間利用率和輸出性能，另一方面可以利用不同擺動部件的固有頻率不同這一特性，實現(xiàn)寬頻帶能量的收集(主要是各種微弱的低頻機械能量)。

為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案為：

一種具有高空間利用率和寬頻帶的擺動式摩擦納米發(fā)電機，包括中心軸桿，中心軸可以由亞克力或金屬材料制成，中心軸桿由內(nèi)向外呈嵌套結(jié)構(gòu)設(shè)置有多個摩擦納米發(fā)電機單元，多個摩擦納米發(fā)電機單元同軸布置；摩擦納米發(fā)電機單元的尺寸隨著與中心軸桿之間距離的增大而增大；摩擦納米發(fā)電機單元包括與中心軸桿轉(zhuǎn)動連接的轉(zhuǎn)子以及布置在轉(zhuǎn)子外側(cè)且與中心軸桿固定連接的定子；其中

定子包括固定圓筒和電極陣列；固定圓筒包括固定筒體以及對稱固定在固定筒體兩端的固定筒體蓋板，電極陣列固定在固定筒體的內(nèi)壁；固定筒體蓋板的中心具有中心孔，固定筒體蓋板通過中心孔與中心軸桿固定連接；電極陣列包括等間距排列的若干個電極單元，電極單元可以用銅、鋁、銀等金屬導電材料制作；電極單元的總數(shù)量為偶數(shù)；若干個電極單元被均分后串聯(lián)形成第一電極和第二電極，且相鄰的兩個電極單元分別屬于第一電極和第二電極。優(yōu)選的，固定圓筒由絕緣材料制作，或用金屬制作并在表面貼絕緣層。